量子物理學最費解之謎出現新主張：「我的性格不屬於我」

在過去一個世紀當中，量子物理學領域最令人費解的現象之一，就是粒子性質在接受測量之前可能處於非真實狀態。最近的一項最新思想實驗表明，這一結論可能還不夠到位：粒子的屬性——例如其自旋狀態——甚至可能根本就不屬於粒子本身。換言之，這就像是認定我們的性格並不屬於自己。

這項最新研究宣稱，通過所謂「量子柴郡貓」的最新實驗版本，可以證明粒子與其屬性之間存在著相互衝突的脫節情況。此項實驗最初於2013年進行，而名稱中的「柴郡貓」則來自Lewis Carroll的不朽名著《愛麗絲夢遊仙境》中的知名角色。有趣的是，該書中的柴郡貓本身(相當於實驗中的一個粒子)與其微笑(對應粒子的某些屬性)也確實彼此脫離。

實驗的最新版本以兩隻笑嘻嘻的柴郡貓開始，其中一隻貓停止微笑後，另一隻才開始微笑;反之亦然。在量子術語當中，這代表著兩個粒子一直在不斷交換二者的屬性，或者說物理特性。

作為此項研究的共同作者，印度Harish-Chandra研究所(簡稱HRI)的Arun Kumar Pati指出，「Miels Bohr的觀點在於，在對量子系統進行測量之前，我們無法斷言其物理屬性確實存在，這相當於質疑了物理屬性的客觀地位。我們的思想實驗則讓這一觀點更進了一步。這些屬性不僅不真實，而且就連歸屬性也存疑。其在更深層次上對現實提出了質疑。」

弱與強的對抗

為了得出結論，Pati和他HRI的同事Debmalya Das採用了一種被稱為弱測量的技術。

在標準量子力學當中，檢查粒子或原子等量子系統的狀態時往往涉及所謂強測量方法，其基本原理非常簡單，類似於在光子到達檢測器時進行記錄。研究人員首先會在一定的初始狀態下製備粒子，這一過程被稱為預選。接下來，在外力的作用下，這些粒子的量子態會隨著時間的推移而發生改變，並最終形成多種形態的疊加。強測量結果會隨機將這些疊加狀態「摺疊」成數種可能的狀態之一——這一過程將不可避免地帶來破壞性影響。舉例來說，如果您正在對光子的位置進行測量，那麼強測量雖然能夠實現光子定位，但也會破壞這種疊加態。

在另一方面，弱測量則要溫和得多。其背後的基本思路可以追溯至1988年，這個理念最初是由Yakir Aharonov、David Z. Albert以及Lev Vaidman所設計，當時三位分別就讀於南卡羅來納大學與特拉維夫大學。三人提出設想，如果測量裝置與粒子之間的相互作用非常微弱，結果又會如何?雖然這樣的測量方式不會破壞量子態(因此狀態會繼續演變)，但卻會帶來具有極大不確定性的狀態值。因此，如果我們反覆進行測量，且作為測量對象的粒子集合擁有相同的準備或者預選前提，那麼最終應該能夠得到弱測量值的分布情況。

就其本身而言，這種分布並不包含信息量。但只要為這個過程添加一個額外的階段，情況就會變得非常有趣。在每一次弱測量之後，研究人員們嘗試讓粒子演進，而後再對其執行破壞性強測量。在此之後，對每個經過預選的弱測量粒子重複同樣的強測量操作。由於疊加態會隨機崩潰，因此每次強測量都會得出不同的值。現在，只選擇那些最終位置符合特定值的粒子——研究人員們將其稱為後選擇(postselection)。在此之後，丟棄所有最終位置不符合特定值的粒子。Aharonov及其同事表示，現在他們就可以將這些經過後選擇的粒子集中起來，把其弱測量值整合為一項「弱值」，從而展示關於粒子屬性的某些信息——例如其是否在特定方向上保持著自旋。

這種量子系統測量方法的一大有趣之處，在於其與時間的本質有關。根據Aharonov及其同事開發的數學方法得出，弱值受初始預選量子態(過去)與最終後選擇量子態(未來)的影響。通過這種思維方式，我們可以理解成時間實際上是雙向流動的，即未來會影響到現在。

屬性到底歸誰所有?

在2013年進行並於2014年發布結果的首次實驗當中，維也納技術大學的Tobias Denkmayr、查普曼大學的Jeff Tollaksen及其同事利用弱測量成功將「量子柴郡貓」的本體與微笑分離開來。

在他們的實驗當中，研究人員將具有特定自轉方向的預選中子一個接一個送入分束器——分束器是一種負責將粒子束分為兩股的裝置。每個進入的中子最終都將處於兩種狀態的疊加態：取路徑A以及取路徑B。這兩條路徑在所謂的干涉儀當中重新組合，從而實現量子態干擾。接下來，將中子朝向輸出至探測器。在干涉儀的一條輸出路徑中，該實驗會對中子的特定自旋狀態進行強測量。滿足這一條件的中子被認定為具有後選擇效應，不滿足的中子都被實驗者們放棄。

對於這些具有後選擇效應的粒子，該團隊還進行了兩組弱測量：一組用於測量粒子的位置，另一組用於測量自旋狀態。這些雙重測量表明粒子會通過路徑B，但其自旋狀態的弱值則只能在路徑A中測出。如此一來，柴郡貓的本體就與微笑成功分離開來。

創造一隻量子柴郡貓

得名於Lewis Carroll的名作《愛麗絲夢遊仙境》，這一量子柴郡貓實驗旨在將一隻「貓」(一個粒子)與其「微笑」(該粒子的某種屬性)分離開來。在這項實驗(最初於2013年進行，具體流程簡化為下圖形式)當中，研究人員將具有特定自旋方向(粉色微笑)的多個粒子(一隻黑貓)發射通過一套光學系統，其中包含干涉儀、分束器、鏡面與探測器。在粒子經過系統時並保持不確定性狀態時，其會經歷一系列在順序上經過精心設計的強與弱測量。各粒子會通過兩條路徑其中之一，但其自旋狀態卻只會在另一路徑中被觀察到。換言之，「貓」與其「微笑」被彼此分離開來。

圖片來源：Melissa Thomas Baum, Buckyball Design;資料來源：《在物質波干涉儀實驗中觀察量子柴郡貓》，作者：Tobias Denkmayr等，《自然通訊》，Vol 5， No. 4492;2014年7月29日。

Tollaksen表示，「從準備粒子而後進行強測量的傳統觀點來看，我們不可能將粒子與其屬性分離開來。」他在2001年的博士論文當中就以柴郡貓悖論為題。

現在，Pati與Das已經將柴郡貓實驗擴展到他們的思想實驗當中。這一實驗不僅能夠將粒子與其屬性分離，而且能夠讓一個粒子具有先前與另一粒子相關聯的屬性，反之亦然。

這一思想實驗要求並排放置兩個干涉儀，使得每個粒子首先遇到分束器。在經過分束器之後，粒子將進入兩種狀態的疊加態：取左路徑與取右路徑。

接下來是扭曲：由於以對齊方式設置，因此干涉儀1的右路徑(通常與相對應的左路徑重新組合)會相反與干涉儀2的右路徑重新組合。此外，兩個干涉儀的左路徑也將重新組合。在重新組合時，各種量子態將彼此干擾。接下來，來自每個干涉儀的兩個輸出結果將經過一系列分束器與探測器。這些分束器也經過精心設計，其中一種會以一種極化方式行進，而另一種則以另一種極化方式行進。(極化用於描述光子振動電場與磁場方向。)後選擇效應只選擇那些同時擊中六個探測器組的特定光子。所有其它光子都將被丟棄。

根據Pati與Das的說明，如果要計算後選擇集合當中每對光子的位置與極化的弱值，那麼該弱值將表明光子1穿過干涉儀1的左路徑，其極化現象則會出現在干涉儀2的左路徑中。同樣的，光子2將出現在干涉儀2的右路徑中，其極化現象也同樣出現在干涉1的右路徑中。通過這種方式，研究人員希望解釋測量得出的弱值的意義。

兩隻量子貓交換微笑

最新設計的這一量子柴郡貓實驗不僅要將粒子本體與其屬性分離開來，同時還要在不同粒子之間實現屬性交換。換言之，新的實驗版本會在執行多輪強與弱測量之前對兩個干涉儀的輸出結果進行混合，這意味著兩個光子(白貓與黑貓)將與其極化現象(藍色與粉色微笑)解耦。下圖所示展示了兩個光子的各自路徑，及其在通過光子系統時接受弱測量所得出的結果。根據研究人員所言，這項實驗的最終結果必然是極化狀態彼此交換，且在兩個在空間上彼此獨立的光子之間構成單一糾纏態。

圖片來源：Melissa Thomas Baum、Buckyball Design;資料來源：《兩隻量子柴郡貓會交換微笑嗎?》，作者：Debmalya Das等人，arXiv:10904.07707;2019年4月14日。

對思想實驗的這一解釋表明，在對粒子本體及其屬性進行解耦，對其路徑重新組合併進行強測量之後，光子1最終得到了光子2的極化現象，反之亦然。貓和它們的微笑首先分離，而後兩隻貓互相交換了微笑。此外，儘管光子與其初始屬性分離開來，但仍然會以統一的糾纏態作為結束——這意味著這些光子只能通過單一全局量子態進行描述。

對於已經習慣了弱測量所帶來的種種悖論的Tollaksen來說，「這樣的結果並不讓我意外」，但「這仍是一項非常出色的工作。」

細節上的分歧

多倫多大學的實驗主義學者Aephraim Stenberg對此同樣沒有感到意外，但具體原因卻有所不同。他指出，粒子之間的相互作用會導致這些粒子發生糾纏(正如Pati與Das的思想實驗中所發生的現象)，這種糾纏將使得不同粒子之間交換屬性。Steinberg表示，這種交換正是所謂SWAP門的基礎所在——這是一種已經經過充分研究，並可用於實現量子計算的操作。他補充稱，「如果他們能夠在不需要交互的情況下實現極化現象交換，那倒確實是非常有趣。」

但真正讓Steinberg感到意外甚至是擔憂的，在於此次新實驗的具體設計。他指出，「這次實驗讓兩個光子穿過一組干涉儀，進而使得六個不同的探測器得以同時被激活。這當然是不可能的。作者似乎是設想到其中一個探測器能夠感應到光子的位置，而另一個處於不同位置的探測器則可以同時測量光子的極化。從這個意義上說，他們似乎從起步開始就試圖「默認」光子不同屬性的分離，而非設計一個實驗來證明這一點。」

Tollaksen同時表示，在只發射兩個光子的情況下不可能同時激活六個探測器。但他認為Pati與Das的思路確有合理之處。他解釋稱，「據我所知，或者說在我看來，即使是所有六個探測器都被激活，通過這一光學系統進行反推後也能夠得出正確的兩個光子這一實驗條件，且後選擇效應同樣正確無誤。如果是這樣的話，那麼之前提到的「默認」交換問題好像也不是非常嚴重。」

不過Pati表示，他和Das的實驗應該會帶來與預期完全相符的運行結果——同時不違背現有技術基礎。他指出，「探測器之所以被激活，是因為其分別接收到了不同的自由度，或者說兩個光子的不同屬性。」也正因為如此，六個探測器才會被同時激活。

還有另一個更大的問題，即由弱測量所獲得的弱值為我們帶來的「真相」。澳大利亞國立大學理論家Michael Hall表示，「總的來說，我認為量子柴郡貓在很大程度仍是個「悖論」。弱值並不是個別測量的一般性結果，而只是多次重複測量所得出的平均值。」Hall認為這樣的平均值並不能保證與單一強測量的結果相一致。

然而，弱測量已經被用於某些看似不可能的場景。舉例來說，如果我們選擇的粒子在初始狀態與後選擇態之間只存在極小的重疊，那麼未被選中而必須被丟棄的粒子將佔據極高的百分比。但對於剩下的極少數粒子，其弱值則可能非常有用。羅切斯特大學的John C. Howell和他的同事已經利用這些弱值測量了大約14個飛秒內的粒子位移——其尺寸大體相當於鈾原子核。

除了對於Pati與Das的思想實驗表示懷疑之外，人們也提出了關於弱值能否正確描述量子世界理論的爭議，特別是時間在其中的作用。Tollaksen總結稱，「我們需要開始考慮未來與現在的相關性。對於任何特定時刻，粒子的屬性都會受到未來的影響。只要能夠轉變並接受這樣的思維，所有這一切，包括柴郡貓現象，都不會令人驚訝。」

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